簡介： 本文著重研究了城市化建設(shè)與采礦業(yè)占地對土壤侵蝕和環(huán)境的影響，分析了土地利用類型轉(zhuǎn)變對土壤侵蝕程度的影響。作者收集了北美部分地區(qū)土地利用的不同歷史階段產(chǎn)沙速度資料加以整理，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模擬計算了可能的土地產(chǎn)出損失率。清楚地說明了土地利用類型的變化引起產(chǎn)沙的巨大變化。討論了土地利用變化發(fā)展的總趨勢。
關(guān)鍵字：城市化建設(shè)與采礦業(yè) 土壤侵蝕與環(huán)境 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 土地生產(chǎn)率
1 前言
土地利用問題是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中產(chǎn)生的，與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長等密切相關(guān)�，F(xiàn)在，土地和人口增長的矛盾尖銳。目前我國每年凈增人口1500萬人，國家和農(nóng)村建設(shè)每年占用耕地80萬hm2。我國現(xiàn)有人口已超過12億，預(yù)計2050年將達(dá)到15億。人口急劇增長，耕地面積不斷減少，給土地帶來極大壓力。土地是人類一切生產(chǎn)活動的基地，無論農(nóng)業(yè)、牧業(yè)、林業(yè)、城市化建設(shè)、工礦企業(yè)等各項建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，都離不開對土地的利用。如美國因城市建設(shè)占用農(nóng)業(yè)用地，從1958～1967年每年49萬hm2增加到1967～1975的每年85萬hm2；我國從1958～1978年21年間，城市化基本建設(shè)占用農(nóng)牧業(yè)土地面積達(dá)3400萬hm2，平均每年用地相當(dāng)于一個福建省的耕地面積。1981年，僅農(nóng)民蓋房及院落占地達(dá)27萬hm2[1]。而每一種改變土地利用方式不可避免地帶來對自然環(huán)境的破壞作用，如環(huán)境污染、生態(tài)失調(diào)、水土流失、土壤沙漠化、鹽漬化等，已成為社會重大問題。
土地利用基本形式包括：農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)、城市化建設(shè)、工礦企業(yè)等。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，各項生產(chǎn)建設(shè)都要占用土地。大量開發(fā)，多項占用，土地利用形式不斷變化，成為水沙變化的主因。
城市工業(yè)化建設(shè)、采礦和其它類似的活動對加速土壤的侵蝕是非常明顯的。城市化工業(yè)建設(shè)，大量占用土地資源。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國正由農(nóng)業(yè)大國發(fā)展為工業(yè)大國。經(jīng)濟(jì)騰飛，必然帶來建設(shè)高潮。城市大量占地，擴(kuò)大建設(shè)要延續(xù)一個相當(dāng)長的時期。連續(xù)不斷的工程，破土施工到處可見，產(chǎn)流產(chǎn)沙可想而知。采礦是在生產(chǎn)過程中和自然環(huán)境相互作用最強(qiáng)烈的形式之一，在此過程中人類表現(xiàn)為改造地球外貌的強(qiáng)有力因素。在開采礦產(chǎn)過程中，人類往往要從天然儲藏地點移走大量巖土到相當(dāng)遠(yuǎn)的距離，所有這一切不僅在直接開采的地點，而且在距它們相當(dāng)遠(yuǎn)的地方也會造成自然界的重大變化。同時不僅改變巖石圈的組成和結(jié)構(gòu)，而且改變包括生物圈在內(nèi)的整個自然綜合體。由于強(qiáng)度開采礦產(chǎn)所產(chǎn)生的自然綜合體的變化，通常對生物圈是不利的，導(dǎo)致周圍環(huán)境的惡化，水土流失嚴(yán)重。
土地利用變化往往對環(huán)境帶來某種程度的不利影響。例如砍伐森林改營農(nóng)業(yè)，土壤侵蝕量發(fā)生變化，會降低有機(jī)質(zhì)的含量。但重要的是，不要使這種環(huán)境退化趨于嚴(yán)重，否則，最終將導(dǎo)致土地遭到不可逆轉(zhuǎn)的破壞。同時，也要注意不造成環(huán)境的漸進(jìn)性退化，這是指采用某一種土地利用方式導(dǎo)致土地處于持續(xù)耗竭狀態(tài)，例如放牧中對牲畜數(shù)量不加控制，任其超載，致使草場逐漸退化。
隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，人口的大量增加，使土地資源大規(guī)模開發(fā)利用，土地利用變化劇烈。加劇土壤侵蝕，使其發(fā)生的初始、邊界條件更趨復(fù)雜。造成生態(tài)環(huán)境惡化，動植物物種多樣性減少或喪失。因此，在水土流失規(guī)律研究和治理技術(shù)方面受到限制，許多關(guān)鍵性問題尚未解決。目前國內(nèi)外對土地利用的變化過程研究這一關(guān)鍵問題研究較少。無疑對這一問題進(jìn)行研究具有特別重要的意義。
2 城市土地利用
在城市地區(qū)，自然生態(tài)系統(tǒng)的變異程度通常比農(nóng)業(yè)、林業(yè)要大的多。城市地區(qū)的大部分土地覆蓋著公路、建筑物以及其它難以滲透的地面。保存空曠的空間主要是為文化娛樂和裝飾的目的而不是為了生產(chǎn)糧食和木材，因此，城市中現(xiàn)存的綠色地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)的變遷與鄉(xiāng)村有很大差異。城市地面幾乎不能發(fā)生滲透現(xiàn)象；因有地下排水系統(tǒng)，城市排泄網(wǎng)比農(nóng)村更有效，徑流增加了3～4倍。當(dāng)進(jìn)行建設(shè)時，往往會給地面造成破壞，導(dǎo)致產(chǎn)沙量比農(nóng)村高幾倍；但建設(shè)完成后，大部分的地面密封了，產(chǎn)沙量降到高峰水平的1/10，低于農(nóng)業(yè)經(jīng)營時的水平。盡管如此，城市的產(chǎn)沙量仍然高于未受干擾的自然植被。城市的土地利用仍然遵循人類活動趨于增加產(chǎn)沙量的一般規(guī)律。
城市化造成土地最高的侵蝕速度產(chǎn)生在建設(shè)階段，這階段有大量裸露地面和由于運輸和開挖引起很大的擾動。為建筑而清除地面，一年間產(chǎn)生的土壤侵蝕相當(dāng)于自然的甚至農(nóng)業(yè)數(shù)十年造成的侵蝕。在馬里蘭，城市化在建設(shè)期間，產(chǎn)沙量達(dá)到55000t/km2.a，而在同樣的地區(qū)，森林地面產(chǎn)沙量大約為80～200t/km2.a，在農(nóng)田是400t/km2.a。在佐治亞，開挖新道路使產(chǎn)沙量達(dá)到20000～50000t/km2.a。同樣，在英格蘭德文郡，在有排水建筑物地區(qū)，河中懸浮泥沙物濃度是未受干擾地區(qū)的2～10倍(偶爾達(dá)到100倍)。在美國弗吉尼亞，在城市化建設(shè)期間，侵蝕速度同樣高。而且記錄了在相同地區(qū)侵蝕速度是農(nóng)田的10倍，是草地的200倍，是森林地區(qū)的2000倍。然而，施工不會永遠(yuǎn)進(jìn)行下去，一旦呈現(xiàn)出道路、建起花園和草坪，干擾就停止，侵蝕整流速度就會大大地降低。可能與在自然條件下，或農(nóng)業(yè)耕種前的侵蝕速度基本相同[2～7]。平均來講，城市化建設(shè)期土壤侵蝕率是農(nóng)田的10～350倍(平均180倍)，是森林的1500倍。
作者收集了北美部分地區(qū)土地利用的不同歷史階段產(chǎn)沙速度資料加以整理，并用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模擬計算了可能的土地產(chǎn)出損失率(見圖1)。所謂土地產(chǎn)出損失率(O1)是指單位面積由于土壤侵蝕引起的產(chǎn)量(Y)或產(chǎn)值(Pv)減少。實際土地產(chǎn)出率(Oa)是單位面積的產(chǎn)量(Y)或產(chǎn)值(Pv)。用公式表達(dá)為 Oa=Y or Pv/ A=Od-O1 式中 A為土地面積；Od為應(yīng)有土地產(chǎn)出率。 |
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根據(jù)皇甫川流域卡口站試驗資料，以噸泥沙減產(chǎn)量為據(jù)，分析計算得出[8]：每損失1噸泥沙，農(nóng)地產(chǎn)值減少12.5元；草地?fù)p失0.6元；林地?fù)p失0.39元。按該指標(biāo)可計算得出土地產(chǎn)出損失率。
圖1很好地說明了由森林→農(nóng)地→林地或草地→城市化的不同土地利用方式產(chǎn)沙率的變化過程，更清楚地說明了土地利用類型的變化引起產(chǎn)沙的巨大變化。
從19世紀(jì)初期開始，茂密的森林產(chǎn)沙量很小，土地產(chǎn)出損失率也很�。划�(dāng)農(nóng)作物取代原始森林，產(chǎn)沙量增加，土地產(chǎn)出損失率隨之增加；隨著耕作的開始，產(chǎn)沙量隨之降低，農(nóng)地的產(chǎn)出損失率降低；隨著時間的推移，產(chǎn)沙率再次增高，農(nóng)地的產(chǎn)出損失率也隨著增高，即農(nóng)地產(chǎn)出率減�。恢皇堑�20世紀(jì)，當(dāng)某些耕地轉(zhuǎn)變?yōu)榱值睾筒莸睾�，產(chǎn)沙量才再次下降，土地產(chǎn)出損失率下降，即土地產(chǎn)出率有所回升；在城市擴(kuò)展和建設(shè)時期，由于地面暴露和建設(shè)施工對土地的干擾，產(chǎn)沙速度急劇上升，土地產(chǎn)出損失率也急劇上升，也就是說土地產(chǎn)出率降到歷史最低；當(dāng)大部分地表封在道路、建筑物以及其它難以滲透的表層下時，產(chǎn)沙量幾乎以相同的速度下降，城市化后的土地產(chǎn)出率也將急劇升高。在土地利用類型的演化過程中，每一種類型的轉(zhuǎn)化，都無疑帶來了產(chǎn)沙的急劇增加。
3 采礦業(yè)
目前我國正處于高速發(fā)展時期，人口膨脹需要開發(fā)礦產(chǎn)資源滿足人民的物質(zhì)生活的提高。采礦造成的土地利用變化雖然發(fā)展了經(jīng)濟(jì)，但造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，尤其是對水土流失和河流泥沙帶來極其不利影響。這種影響國內(nèi)外有很多實例。豫陜晉接壤區(qū)人煙稀少，林草茂密，80年代后期，國營和個體企業(yè)紛紛投入開采金礦，在1萬多平方公里的范圍內(nèi)有開采點3000個，年產(chǎn)黃金30萬兩，雖帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，但直接破壞植被168km2，侵蝕模數(shù)由1030增加到1458t/km2.a，同時棄石廢渣1645萬m3，暴雨時形成人造泥石流和滑坡。采礦不僅造成了嚴(yán)重的水土流失，而且其廢棄物嚴(yán)重污染當(dāng)?shù)厮|(zhì)。該礦區(qū)大小選礦廠和個體土法混汞碾佯者鱗次櫛比，所產(chǎn)生的廢水中含汞、鉛等有害物質(zhì)注入當(dāng)?shù)厮担率顾Y源受到污染帶毒，既不能飲用，也不能灌溉。銅鐵礦冶煉排放的SO2等有害氣體所及之處，危害植物生長 [9]。
黃河中游大型煤田，地處多沙粗沙區(qū)，處在暴雨多發(fā)地帶，水土流失本來就非常嚴(yán)重，再加上大規(guī)模的開采煤炭，植被破壞殆盡，占用土地，造成地表地下土層松動，移動大量巖石土體，一遇暴雨極易形成滑坡、崩塌等重力侵蝕，更加劇了水土流失。在美國約有1500個大型煙煤露天采礦廠，占地3237km2，既不平整又無植被。在肯塔基州麥克克里郡，研究露天采礦對洪水和水質(zhì)的影響表明：坎恩流域1957～1958年的輸沙量為1082t/km2，同一時期，附近的亥爾頓流域的輸沙量僅為19t/km2，亥爾頓流域內(nèi)沒有采礦[10](見圖2)，含沙量增加了數(shù)十倍，且泥沙顆粒變粗。不僅如此，采礦活動對河流泥沙影響可能在數(shù)十年后才顯示出來。 |
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圖2給出了坎恩流域礦區(qū)與亥爾頓流域無礦區(qū)和準(zhǔn)格爾煤田與其相鄰的無礦業(yè)皇甫川流域的產(chǎn)沙率的對比[11]。在同樣的徑流條件下，采礦業(yè)導(dǎo)致水流含沙量和輸沙率增大了10倍以上。
表1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)報開礦時及投產(chǎn)后產(chǎn)流產(chǎn)沙量(單位：產(chǎn)流量104m3；產(chǎn)沙量104t)
Runoff rate and sediment yield of opening up a mine and putting into production with ANN forecast model
| 土地利用類型 | 露天 | 工業(yè)廣場及工民區(qū) | 居民 | 坑口 | 運輸 | 取水 | 其它 | 合計 |
| 開礦前產(chǎn)沙量 | 13.0 | 59.3 | 78.9 | 6.8 | 91.0 | 14.3 | 427.0 | 690.3 |
| 估算值 | 71.8 | 172.9 | 230.2 | 19.7 | 828.2 | 41.7 | 427.0 | 1791.5 |
| 神網(wǎng) 產(chǎn)流量 | 142.5 | 321.4 | 547.3 | 36.1 | 1144.2 | 65.8 | 758.7 | 3015.8 |
基建期 | 預(yù)報值 產(chǎn)沙量 | 91.2 | 160.7 | 218.9 | 25.3 | 915.3 | 52.6 | 439.5 | 1873.5 |
| 產(chǎn)沙誤差 | -27.0 | 7.1 | 4.9 | -28.4 | -10.5 | -26.1 | -2.9 | -4.6 |
| 增沙量(神網(wǎng)) | 78.2 | 101.4 | 140.0 | 18.5 | 824.3 | 38.3 | 12.5 | 1183.2 |
| 估算值 | 82.4 | 160.4 | 213.5 | 15.5 | 709.9 | 37.9 | 451.5 | 1671.1 |
| 神網(wǎng) 產(chǎn)流量 | 132.9 | 293.8 | 482.0 | 26.6 | 1358.7 | 53.3 | 563.6 | 2910.8 |
過渡期 | 預(yù)報值 產(chǎn)沙量 | 77.1 | 146.9 | 192.8 | 18.6 | 815.2 | 42.6 | 468.3 | 1761.5 |
| 產(chǎn)沙誤差 | 6.4 | 8.4 | 9.7 | -20.0 | -14.8 | -12.4 | -3.7 | -5.4 |
| 增沙量(神網(wǎng)) | 64.1 | 87.6 | 113.9 | 11.8 | 724.2 | 28.3 | 41.3 | 1071.2 |
| 估算值 | 92.9 | 83.4 | 104.3 | 7.3 | 325.4 | 18.8 | 476.4 | 1108.5 |
| 神網(wǎng) 產(chǎn)流量 | 172.3 | 243.8 | 253.2 | 26.7 | 860.2 | 28.0 | 466.0 | 2050.2 |
投產(chǎn)期 | 預(yù)報值 產(chǎn)沙量 | 103.4 | 97.5 | 93.7 | 16.3 | 430.1 | 19.6 | 497.8 | 1258.4 |
| 產(chǎn)沙誤差 | -11.3 | -16.9 | 10.2 | -123.3 | -32.2 | -4.3 | -4.5 | -13.5 |
| 增沙量(神網(wǎng)) | 90.4 | 38.2 | 14.8 | 9.5 | 339.1 | 5.3 | 70.8 | 558.1 |
由于皇甫川流域無采礦業(yè)，所以選擇了相鄰流域的準(zhǔn)格爾礦區(qū)作為算例，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計算開礦引起的產(chǎn)流產(chǎn)沙量進(jìn)行對比，見圖2。網(wǎng)絡(luò)的輸入層單元數(shù)為46個，輸出層為2，通過學(xué)習(xí)確定隱層單元數(shù)為10，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后結(jié)構(gòu)為46-10-2。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為：β＝0.25；α=0.7；E=0.15。對比方法采用經(jīng)驗估算法，參見文獻(xiàn)[10]。計算對比結(jié)果見表1和圖3。無論是哪一種土地利用類型，開礦后都加劇了土壤侵蝕，侵蝕最為嚴(yán)重的類型當(dāng)屬運輸類。在礦山建設(shè)初期比任何時期侵蝕都要嚴(yán)重。 4 應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)報各種土地利用類型的產(chǎn)流產(chǎn)沙量與土地利用變化總趨勢 |
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流域產(chǎn)流產(chǎn)沙預(yù)報，影響因素多，物理機(jī)制復(fù)雜，采用數(shù)理方法建立降雨、產(chǎn)流和產(chǎn)沙之間的關(guān)系模型，通過計算來研究流域的水沙變化特性。然而在建模過程中邊界條件不明確、模型自身的假設(shè)條件、參數(shù)率定的復(fù)雜性和數(shù)值計算的不穩(wěn)定性影響了計算精度，其應(yīng)用受到限制。而經(jīng)驗和隨機(jī)模型需要大量的詳盡資料，況且其建立要求有扎實的理論基礎(chǔ)和豐富的實踐經(jīng)驗，應(yīng)用很不方便。對于一個流域來講，卡口站的水文觀測資料容易得到，但降雨、匯流與產(chǎn)沙過程資料較難獲得。再加上人類活動強(qiáng)度的增加，導(dǎo)致許多無法量化的事件。應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建模，可以避免這些缺陷，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只注重起始條件和最終結(jié)果，能夠通過部分準(zhǔn)確自學(xué)習(xí)來體現(xiàn)各因子間的復(fù)雜的內(nèi)在聯(lián)系，比以往的計算模型有更好的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并不需要編制每個處理單元的算法，只需總觀組織整個網(wǎng)絡(luò)。
4.1 產(chǎn)流產(chǎn)沙預(yù)測模型
4.1.1 初始權(quán)值的選擇
由于系統(tǒng)是非線性的，初始權(quán)值對于學(xué)習(xí)能否收斂的關(guān)系很大，一個重要的要求是希望初始權(quán)在輸入時使每個神經(jīng)元的狀態(tài)值接近于零，這樣可保證一開始時不落到那些平坦區(qū)上。權(quán)一般取比較小的隨機(jī)值，使神經(jīng)元一開始就在轉(zhuǎn)換函數(shù)變化最大的地方進(jìn)行迭代。
對于輸入同樣希望能夠進(jìn)行歸一，使那些比較大的輸入仍落在神經(jīng)元轉(zhuǎn)換函數(shù)梯度最大的那些地方。
4.1.2 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練組和檢驗組的選取與優(yōu)化
網(wǎng)絡(luò)在一個較好的學(xué)習(xí)訓(xùn)練組中，系統(tǒng)誤差的訓(xùn)練將隨著迭代次數(shù)增加而減少，最終收斂到一組穩(wěn)定的權(quán)。進(jìn)一步的學(xué)習(xí)，權(quán)值將僅僅出現(xiàn)一個極小的波動，這正是試驗者所希望的。問題的關(guān)鍵在于如何選擇一個合適的訓(xùn)練組，為考慮問題方便，先假設(shè)網(wǎng)絡(luò)其它參數(shù)保持不變。
訓(xùn)練組的選擇包括對訓(xùn)練組的規(guī)模、訓(xùn)練組內(nèi)模式的分布狀況等幾方面的確定。訓(xùn)練組的規(guī)模就是模式組中選取的模式總數(shù)及代表各類模式的數(shù)量。模式組不易選取太大，否則會使網(wǎng)絡(luò)單純記憶輸入系列，從而失去寶貴的事件。各類模式的多少和它們的分布情況對訓(xùn)練結(jié)果都有比較大的影響，既然網(wǎng)絡(luò)是仿真人腦的，就具有了人腦思維的一般規(guī)律，一類從來沒有見過的事件，網(wǎng)絡(luò)是無法識別的，這就要求訓(xùn)練組中盡量包括有代表各類特征的模式，不能沒有其中的任何一種。
解決問題的最好辦法是從訓(xùn)練組中去掉一些事例作為檢驗組，網(wǎng)絡(luò)在減少后的訓(xùn)練組上訓(xùn)練，在保留的例子上測試。應(yīng)當(dāng)避免過多的訓(xùn)練，因為這會降低網(wǎng)絡(luò)的泛化能力，所以訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的過程應(yīng)在有限的階段進(jìn)行，然后在檢驗組上測試結(jié)果。繼續(xù)訓(xùn)練和檢驗的循環(huán)，以達(dá)到最佳的訓(xùn)練水平，停止的標(biāo)識是結(jié)果總在檢驗組上而不是在訓(xùn)練組上。這個過程應(yīng)在不同的訓(xùn)練組和檢驗組構(gòu)成上反復(fù)進(jìn)行。在上述過程中，可以看到隨著時間的增加，效果有所提高，可達(dá)到頂端水平，當(dāng)達(dá)到頂端時網(wǎng)絡(luò)開始過度訓(xùn)練，測試效果有所下降，在這個最優(yōu)過程中會出現(xiàn)幾個自由度，包括學(xué)習(xí)率、動態(tài)參數(shù)、隱單元數(shù)、層數(shù)和訓(xùn)練模式組的構(gòu)成。
方法的實質(zhì)是通過對有限的訓(xùn)練組中特殊模式進(jìn)行學(xué)習(xí)來掌握普遍規(guī)律，以達(dá)到認(rèn)識大自然無限多的模式，這些模式應(yīng)具有比較典型的能說明事件共性的特征。另外在訓(xùn)練過程中特別要考慮降雨→產(chǎn)流→產(chǎn)沙的時間滯后影響。
4.1.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的確定
影響流域產(chǎn)流產(chǎn)沙因素有：降雨、地形、土壤性質(zhì)、植被因素和土地利用方式五大類，其中降雨是產(chǎn)流產(chǎn)沙的動力因素。根據(jù)問題的性質(zhì)可定網(wǎng)絡(luò)的輸入層單元數(shù)為36個；根據(jù)要求網(wǎng)絡(luò)的輸出層單元數(shù)為2；隱層單元數(shù)根據(jù)經(jīng)驗公式知其下界為7，通過學(xué)習(xí)訓(xùn)練取隱層單元數(shù)為9；網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)為三層即可1989年Robert Hecht-Nielson證明了對于任何在閉區(qū)間內(nèi)的一個連續(xù)函數(shù)都可以用具有一個隱層的BP網(wǎng)絡(luò)來逼近，因而一個三層的BP網(wǎng)絡(luò)可以完成任意的n維到m維的映射。。網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定后為36 9 2結(jié)構(gòu)。原始數(shù)據(jù)不能直接用來訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。網(wǎng)絡(luò)的輸入項要求在-1到+1之間，根據(jù)數(shù)據(jù)本身的規(guī)律進(jìn)行優(yōu)化，這樣有利于網(wǎng)絡(luò)的運行。
4.1.4 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的確定
訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)調(diào)整參數(shù)達(dá)到最優(yōu)，其過程較長，需經(jīng)過多次反復(fù)的訓(xùn)練。學(xué)習(xí)速率的最優(yōu)值出現(xiàn)時不一定對應(yīng)最優(yōu)的動量常數(shù)，但兩者又有著天然的聯(lián)系。一開始讓網(wǎng)絡(luò)按已確定的較優(yōu)隱單元上訓(xùn)練模式，當(dāng)結(jié)果有了明顯變化時，反過來再對隱單元數(shù)作修改，這樣有利于節(jié)約尋找時間，且能得到較為滿意的結(jié)果。實驗結(jié)果表明，較優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)為：學(xué)習(xí)速率β=0.2；動量因子α=0.6；誤差終止值E=0.15。
4.2 資料的選取
資料的選取采用皇甫川流域數(shù)據(jù)，土地利用類型是變量。通過對該流域60年代、70年代、80年代和90年代(1990～1997年)每年的土地利用變化分析以及實地調(diào)研，確定土地利用分類，作為產(chǎn)流產(chǎn)沙預(yù)報的基本數(shù)據(jù)。表2表明了60年代、70年代、80年代和1990～1997年四個階段土地利用變化的情況。
表2 應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計算流域不同時期土地利用變化的產(chǎn)流產(chǎn)沙量
The runoff rate and sediment yield of land use with ANN model for different period
| 類別 | 60年代 | 70年代 | 80年代 | 1990～1997 | 1998～2010 |
| 面積(km2) | 299.5 | 304.0 | 476.4 | 410.7 | 307.8 |
農(nóng)地 | 產(chǎn)出率(kg/畝) | 49.4 | 77.2 | 89.9 | 105.4 | 150.4 |
| 徑流量(m3/km2.a) | 53900.0 | 39800.0 | 54900.0 | 35867.7 | 29743.6 |
| 侵蝕量(t/km2.a) | 15500.0 | 9500.0 | 16000.0 | 13667.5 | 12583.7 |
| 面積(km2) | 130.7 | 218.0 | 244.2 | 409.7 | 617.6 |
林地 | 產(chǎn)出率(kg/畝) | 18.3 | 34.4 | 54.9 | 71.3 | 95.7 |
| 徑流量(m3/km2.a) | 796.1 | 721.8 | 663.5 | 541.8 | 362.2 |
| 侵蝕量(t/km2.a) | 364.2 | 301.5 | 275.6 | 250.5 | 236.4 |
| 面積(km2) | 151.8 | 218.9 | 199.4 | 180.1 | 169.6 |
牧地 | 產(chǎn)出率(kg/畝) | 80.0 | 94.6 | 120.2 | 123.4 | 134.6 |
| 徑流量(m3/km2.a) | 919.7 | 891.2 | 763.9 | 546.8 | 462.8 |
| 侵蝕量(t/km2.a) | 368.1 | 335.3 | 272.9 | 216.2 | 199.9 |
人 | 口(人) | 70135 | 75930 | 95998 | 108947 | 127783 |
應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計算了由于土地利用類型隨時代轉(zhuǎn)變引起的產(chǎn)流產(chǎn)沙量的變化(見表2)及土地產(chǎn)出率的變化(見圖4)。并對1998～2010年作了預(yù)測。
圖4 土地產(chǎn)出率與土壤侵蝕的關(guān)系
Relation between the rate of output value and soil erosion in Huangfuchuan Watershed
皇甫川流域(面積3250km2)土地利用變化顯著。從統(tǒng)計數(shù)字上看，該流域土地利用變化主要是農(nóng)林牧業(yè)的變化，草地的減少恰好是林地和坡耕地的增加。從計算結(jié)果可知，坡耕地的增加引起了產(chǎn)沙量的增加，而把由于造林減少的產(chǎn)沙量的成績抵消了。由此，應(yīng)把坡耕地的治理放在首要位置。
從表2和圖4中可清楚地看到，農(nóng)地和草地面積減少，林地面積增加，土地產(chǎn)出率增高，產(chǎn)流產(chǎn)沙量減少。
隨著農(nóng)地面積的波動變化(增減)，產(chǎn)流產(chǎn)沙率也呈有規(guī)律性波動變化(增減)，70年代，由于無計劃地開荒種田，使農(nóng)地面積(主要是坡耕地)增加很快，導(dǎo)致了產(chǎn)流產(chǎn)沙量的增加。80年代以來，該流域大力開展水土保持工程，農(nóng)地開始有計劃地減少，而人口又不斷增加，形成了人地矛盾。但農(nóng)地的減少，一部分地增加了基本農(nóng)田(梯田、壩地等)的面積，另一部分是退耕還林，提高了土地的產(chǎn)出率；林地大面積增加，產(chǎn)流產(chǎn)沙量不斷減少，林地的多種經(jīng)營，其產(chǎn)出率增加很快；草地面積的有計劃減少，主要用于造林與改良牧草，使草地質(zhì)量和載畜能力提高，有效地控制了水土流失，草地產(chǎn)出率也在穩(wěn)步上升。土地產(chǎn)出率的提高緩解了人地矛盾，是土地利用變化發(fā)展的總趨勢。
5 結(jié)論與討論
1.城市化建設(shè)期對產(chǎn)流產(chǎn)沙影響最嚴(yán)重。城市化建設(shè)期土壤侵蝕率是農(nóng)田的10～350倍(平均180倍)，是森林的1500倍。
2.采礦業(yè)對產(chǎn)流產(chǎn)沙影響嚴(yán)重。采礦不僅破壞了植被，而且也破壞了土壤結(jié)構(gòu)。同時產(chǎn)生大量的棄土石方。如，準(zhǔn)格爾露天煤礦，投產(chǎn)以后棄土石方達(dá)2.8億m3。產(chǎn)沙率和輸沙量比無采礦區(qū)增大了10倍以上。對當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成了嚴(yán)重影響。采礦是必要的，對環(huán)境的影響無法避免。但加強(qiáng)管理能減少對環(huán)境的危害。
3.土地利用變化發(fā)展趨勢。隨著經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，農(nóng)林牧副漁、城市化、工礦、交通、旅游等各業(yè)都在迅速發(fā)展。各項生產(chǎn)建設(shè)都要占用土地(含水域)，在逐年土地銳減的情況下，泱泱大國愈感土地量的不足。于是，土地變得緊張起來。經(jīng)濟(jì)愈發(fā)展，對土地需求量越大。必然形成相爭竟發(fā)，大量開發(fā)土地資源，在市場經(jīng)濟(jì)影響下，土地成為高值資源。這種形勢將延續(xù)相當(dāng)長的時期。大量開發(fā)，多項使用，土地產(chǎn)出率增高，這是土地利用變化發(fā)展的總趨勢。
參 考 文 獻(xiàn)
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